Ο εκλιπών έχει συνδέσει την πορεία του με το μεγάλο ανασκαφικό και αναστηλωτικό έργο της Αρχαίας Μεσσήνης καθιστώντας τον με το έργο του και την δράση του ως έναν από τους σημαντικότερους αρχαιολογικούς χώρους της χώρας.
Τις τελευταίες ημέρες νοσηλευόταν στη Μονάδα Εντατικής Θεραπείας του Νοσοκομείου Καλαμάτας.
Ο Πέτρος Θέμελης γεννήθηκε το 1936 στη Θεσσαλονίκη, γιος του φιλόλογου και υπερρεαλιστή ποιητή Γεωργίου Θέμελη και αδελφός του βιολιστή και διευθυντή του Κρατικού Ωδείου Θεσσαλονίκης Δημητρίου Θέμελη. Ολοκλήρωσε το Δημοτικό και το Γυμνάσιο του Πειραματικού Σχολείου του Πανεπιστημίου της Θεσσαλονίκης. Αρχικά ξεκίνησε σπουδές Φιλολογίας. Πήρε πτυχίο Ιστορίας και Αρχαιολογίας από τη Φιλοσοφική Σχολή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου της Θεσσαλονίκης το 1959, καθώς και διδακτορικό από το Πανεπιστήμιο του Μονάχου το 1972.
Το 1962, προσελήφθη ως επιστημονικός βοηθός στην Αρχαιολογική Υπηρεσία Θεσσαλονίκης. Κατά το διάστημα 1963-1980 ήταν Επιμελητής και Έφορος Αρχαιοτήτων στις Αρχαιολογικές Περιφέρειες Ηλείας-Μεσσηνίας, Αττικής, Εύβοιας, Φωκίδος-Λοκρίδος και Αιτωλοακαρνανίας, ενώ το διάστημα 1977-1980 ήταν Διευθυντής του Αρχαιολογικού Μουσείου των Δελφών. Από το 1980 ως το 1984, ήταν Προϊστάμενος της Εφορίας Παλαιοανθρωπολογίας και Σπηλαιολογίας, ενώ από το 1984 εώς το 2004 διετέλεσε καθηγητής Κλασικής Αρχαιολογίας στο Τμήμα Ιστορίας και Αρχαιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης στο Ρέθυμνο.
Ως καθηγητής του Πανεπιστημίου Κρήτης διεύθυνε την πανεπιστημιακή ανασκαφή του Τομέα Ι στην αρχαία Ελεύθερνα του Μυλοποτάμου Ρεθύμνου για την οποία έγραψε και επιμελήθηκε σημαντικό αριθμό επιστημονικών εκδόσεων. Από το 1987, είναι διευθυντής του Προγράμματος Ανασκαφής και Αναστήλωσης της Αρχαίας Μεσσήνης, για την οποία έχει συγγράψει μονογραφίες και πλήθος επιστημονικών άρθρων. Οι ανασκαφές στην αρχαία πόλη της Μεσσήνης έχουν αποκαλύψει πολλά από τα μνημεία που περιγράφει και τον 2ο αι. μ.Χ. ο περιηγητής Παυσανίας.
Ελαβε μέρος και διηύθυνε ανασκαφές στη Βεργίνα, στην Πέλλα, στην Ολυμπία, στους Δελφούς, στην Ερέτρια, και στο Κάλλιο.
Το 2005 τιμήθηκε με τον Tαξιάρχη του Tάγματος του Φοίνικος από τον Πρόεδρο της Eλληνικής Δημοκρατίας Κωνσταντίνο Στεφανόπουλο για το διδακτικό, επιστημονικό και ανασκαφικό έργο του. Το 2016 τιμήθηκε για τους ίδιους λόγους με τον Ανώτερο Ταξιάρχη του Τάγματος του Φοίνικος από τον Πρόεδρο της Ελληνικής Δημοκρατίας Προκόπη Παυλόπουλο. Επίσης το 2016 ανακηρύχθηκε επίτιμος καθηγητής του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου, ενώ ήταν και επίτιμος δημότης Καλαμάτας.
